Użycie modułów GNSS do tworzenia rozwiązań dla inteligentnych miast wykorzystujących funkcje lokalizacji

Usługi lokalizacyjne (LAS) w inteligentnych miastach są wdrażane w różnych obszarach, w tym w usługach dla rządu, transporcie, zarządzaniu ruchem, energii, opiece zdrowotnej, gospodarce wodnej i gospodarce odpadami, a także w tworzeniu bezpieczniejszych, bardziej zrównoważonych i lepiej skomunikowanych miast. W tych zastosowaniach często zachodzi potrzeba zrozumienia odległości między pobliskimi urządzeniami. W zastosowaniach LAS rośnie zapotrzebowanie na funkcje oparte na pozycji, wykorzystujące wielokonstelacyjne odbiorniki globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS) obsługujące europejski system Galileo, amerykański GPS, rosyjski GLONASS i chiński BeiDou. Korzyści z używania wielokonstelacyjnych odbiorników GNSS to m.in.: lepsza dostępność sygnałów pozycyjnych, nawigacyjnych i czasowych (PNT), zwiększona dokładność i integralność oraz zwiększona odporność. Jednak opracowywanie odbiorników wielokonstelacyjnych jest czynnością złożoną i czasochłonną.

W niniejszym artykule omówiono ważne kwestie dotyczące projektowania układów z wykorzystaniem wielokonstelacyjnych odbiorników GNSS, a następnie zaprezentowano platformy GNSS i środowiska rozwojowe firm u-blox, Microchip Technology, MikroElektronika, Thales, oraz Arduino do wydajnego i ekonomicznego opracowania rozwiązań do inteligentnych miast z wykorzystaniem funkcji lokalizacji.

Udoskonalenia technologii globalnego systemu nawigacji satelitarnej (GNSS), zwłaszcza zmniejszone wymagania dotyczące mocy, odegrały kluczową rolę w coraz częstszym wykorzystywaniu systemu GNSS i rozpowszechnianiu się technologii LAS w zastosowaniach przeznaczonych dla inteligentnych miast. Moc pobierana przez odbiornik GNSS zmniejszyła się ze 120mW w 2010 r. do 25mW w 2020 r. (ilustracja 1). W rzeczywistości zapotrzebowanie na moc odbiornika GNSS spadło szybciej niż zapotrzebowanie na moc większości innych komponentów systemu LAS. Starsze technologie GNSS były energochłonne w porównaniu z pozostałymi elementami systemu. Obecnie zapotrzebowanie na moc odbiornika GNSS stanowi często tylko jednocyfrowy procent całkowitego budżetu mocy.

Ilustracja 1: pobór mocy przez odbiornik GNSS spadł ze 120mW w 2010 r. do 25mW w 2020 r. (Źródło ilustracji: u-blox)

Wyzwania dotyczące poboru mocy

Podczas gdy pobór mocy przez odbiornik GNSS drastycznie spadł, złożoność uzyskania optymalnego rozwiązania w zakresie mocy/parametrów działania wzrosła. Nie każdy projekt LAS wymaga ciągłego szacowania pozycji przez odbiornik GNSS czy wysokiego poziomu dokładności pozycji. Projektanci mają do dyspozycji różne narzędzia do optymalizacji parametrów działania oraz zużycia energii przez odbiornik GNSS, w tym optymalizację sprzętową i strategie oparte na oprogramowaniu układowym.

Pierwszym krokiem w opracowywaniu energooszczędnych odbiorników GNSS jest zastosowanie komponentów o małej mocy, zwłaszcza niskoszumowych wzmacniaczy na częstotliwości radiowe (LNA), oscylatorów i zegarów czasu rzeczywistego (RTC). Dobrym przykładem jest wybór między antenami aktywnymi i pasywnymi. Anteny pasywne są tańsze i bardziej wydajne, ale nie spełniają potrzeb każdego zastosowania. Antena aktywna może być dobrym wyborem w kanionach miejskich, wewnątrz budynków lub w innych miejscach o słabej sile sygnału. Zastosowanie wzmacniaczy niskoszumowych (LNA) w antenach aktywnych znacznie zwiększa zdolność odbierania słabych sygnałów, jednak zużywa także znaczne ilości energii. Gdy pobór mocy ma znaczenie krytyczne, a rozmiar anteny nie jest tak ważny, większa antena pasywna może często zapewnić taką samą wydajność jak mniejsza antena aktywna, oferując jednocześnie wysoką dostępność pozycji i poziomy dokładności.

Większość odbiorników GNSS jest w stanie zapewnić częstotliwość aktualizacji 10Hz lub wyższą, ale większość rozwiązań LAS działa dobrze przy znacznie mniejszych i mniej energochłonnych częstotliwościach aktualizacji. Wybór optymalnej częstotliwości aktualizacji może mieć największy wpływ na pobór mocy. Oprócz rozwiązań sprzętowych, podczas optymalizacji poboru mocy projektanci mają do dyspozycji szereg narzędzi oprogramowania układowego, w tym częstotliwość aktualizacji, liczbę jednocześnie śledzonych konstelacji GNSS, wspomagany system GNSS i różne tryby oszczędzania energii (ilustracja 2).

Ilustracja 2: oprócz korzystania z najbardziej wydajnego rozwiązania sprzętowego, podczas optymalizacji parametrów działania i zużycia energii odbiornika GNSS projektanci mają do dyspozycji kilka narzędzi oprogramowania układowego. (Źródło ilustracji: u-blox)

W trudnych warunkach środowiskowych może być konieczne jednoczesne śledzenie wielu konstelacji GNSS. Chociaż odbieranie sygnałów przy użyciu różnych pasm może zapewnić niezawodne określenie pozycji, zwiększa to również pobór mocy. Ważne jest zrozumienie specyfiki środowiska pracy, a zwłaszcza widoczności nieba, a także używanie minimalnej liczby sygnałów GNSS wymaganej do obsługi potrzeb konkretnego zastosowania LAS.

Wyłączenie funkcji GNSS oszczędza najwięcej energii, ale powoduje zimny start przy każdym jej włączeniu. Czas pierwszego ustalenia pozycji (TTFF) dla zimnego startu może wynosić 30 sekund lub więcej, w zależności od dostępności i siły sygnałów GNSS oraz rozmiaru i umiejscowienia anteny. Wspomagany system GNSS może skrócić czas TTFF, zapewniając jednocześnie dokładność informacji. Wspomagany system GNSS można wdrożyć na kilka sposobów, na przykład wykorzystując bieżące i przewidywane parametry lokalizacji i czasu satelity (zwane „danymi efemerycznymi”), almanachu oraz dokładnych danych korekcji czasu i stanu satelity dla systemów satelitarnych pobieranych przez Internet w czasie rzeczywistym lub w odstępach nawet kilku dni. Niektóre odbiorniki GNSS mają tryb autonomiczny, w którym wewnętrznie obliczają prognozy orbit GNSS, eliminując potrzebę pobierania zewnętrznych danych i nawiązywania łączności. Jednak korzystanie z trybu autonomicznego może wymagać okresowego włączania odbiornika w celu pobrania aktualnych danych efemeryd.

Tryby oszczędzania energii

Oprócz opcji łączności, takich jak wspomagany system GNSS, wiele odbiorników GNSS umożliwia projektantom dokonanie różnych wyborów skutkujących różnymi kompromisami między częstotliwością aktualizacji a poborem mocy, w tym korzystanie z funkcji śledzenia ciągłego, śledzenia cyklicznego, włączania-wyłączania i pozycjonowania migawkowego (ilustracja 3). Kolejną ważną kwestią przy określaniu parametrów działania konkretnego zastosowania jest wybór optymalnego trybu śledzenia. Jeśli warunki pracy ulegną zmianie, wykluczając wybór optymalnego trybu oszczędzania energii, system powinien automatycznie przełączyć się na następny najbardziej energooszczędny tryb, aby zapewnić ciągłość działania.

Ilustracja 3: optymalizacja parametrów działania systemu GNSS wymaga dopasowania energooszczędnych trybów pracy do wymaganych częstotliwości aktualizacji. (Źródło ilustracji: u-blox)

Ciągłe śledzenie nadaje się do zastosowań, które wymagają kilku aktualizacji na sekundę. Odbiornik GNSS w tym trybie przeprowadza akwizycję swojej pozycji, ustala pozycję, pobiera dane almanachu i efemeryd, a następnie przełącza się w tryb śledzenia, aby zmniejszyć pobór mocy.

Śledzenie cykliczne polega na aktualizacji pozycji co kilka sekund i jest przydatne, gdy sygnały lub anteny są wystarczająco duże, aby zapewnić dostępność sygnałów pozycji w razie potrzeby. Dodatkowe oszczędności energii można osiągnąć, jeśli śledzenie nie wymaga akwizycji nowych satelitów.

Praca w trybie włącz-wyłącz polega na przełączaniu między czynnościami akwizycji/śledzenia a trybem uśpienia. Czas w stanie uśpienia wynosi zazwyczaj kilka minut, a praca w trybie włącz-wyłącz wymaga silnych sygnałów GNSS, aby zminimalizować czas pierwszego ustawienia pozycji (TTFF), a tym samym pobór mocy po każdym okresie uśpienia.

Pozycjonowanie migawkowe oszczędza moc dzięki wykorzystaniu odbiornika GNSS do lokalnego przetwarzania sygnału w połączeniu z zasobami przetwarzania w chmurze w celu bardziej intensywnego obliczeniowo przetwarzania szacowania położenia. Gdy połączenie internetowe jest dostępne, pozycjonowanie migawkowe może zmniejszyć pobór mocy przez odbiornik GNSS dziesięciokrotnie. To rozwiązanie może być skuteczną strategią oszczędzania energii, gdy potrzebnych jest tylko kilka aktualizacji pozycji dziennie.

Wbudowana antena obsługuje rozszerzenie systemu GNSS

W przypadku systemów korzystających z równoczesnego odbioru sygnałów GPS, Galileo i GLONASS GNSS projektanci mogą skorzystać z modułu anteny płytkowej firmy u-blox SAM-M8Q (ilustracja 4). Korzystanie z trzech konstelacji jednocześnie zapewnia wysoką dokładność pozycji w trudnych warunkach, takich jak kaniony miejskie lub przy odbieraniu słabych sygnałów. Aby przyspieszyć pozycjonowanie i poprawić dokładność, moduł SAM-M8Q obsługuje funkcje rozszerzające, w tym satelitarny system Quasi-Zenith (QZSS), rozszerzoną nawigację GEO wspomaganą GPS (GAGAN) i system komunikatów wewnętrznych (IMES) wraz z systemami WAAS, EGNOS oraz MTSAT (MSAS).

Ilustracja 4: moduł SAM-M8Q obsługuje równoczesny odbiór z maksymalnie trzech źródeł GNSS (GPS, Galileo, GLONASS). (Źródło ilustracji: u-blox)

Moduł SAM-M8Q może również korzystać z usługi pomocy firmy u-blox - AssistNow, w ramach której podawane są parametry transmisji GNSS, w tym dane efemeryd, almanachu oraz czas lub przybliżoną pozycję, aby znacznie skrócić czas pierwszego ustalenia pozycji (TTFF). Przedłużona ważność danych AssistNow Offline (do 35 dni) i AssistNow Autonomous (do 3 dni) pozwala uzyskać krótsze czasy TTFF nawet po dłuższym czasie.

Platforma rozwojowa Google Cloud dla Internetu rzeczy (IoT) zapewnia prosty sposób łączenia i zabezpieczania aplikacji opartych na mikrokontrolerze PIC. Płytka Click GNSS 4 firmy MikroElektronika posiada moduł SAM-M8Q i została zaprojektowana wraz z płytką rozwojową PIC®-IoT WG firmy Microchip Technology w celu przyspieszenia rozwoju rozwiązań LAS dla inteligentnych miast (ilustracja 5). Płytka rozwojowa PIC-IoT WG zapewnia użytkownikom Google Cloud IoT sposób na przyspieszenie tworzenia bezpiecznych aplikacji połączonych z chmurą. Ponadto płytka PIC-IoT WG zapewnia projektantom narzędzia analiz i uczenia maszynowego.

Ilustracja 5: płytka Click GNSS 4 zawiera moduł anteny płytkowej SAM-M8Q firmy u-blox. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Wielokonstelacyjne moduły GNSS z łącznością bezprzewodową

Dla małych urządzeń LAS, takich jak lokalizatory, które mogą korzystać z obsługi wielu konstelacji systemu GNSS (GPS/Galileo/GLONASS) i globalnej łączności LPWAN LTE z jednego modułu wykorzystującego platformę Rel. 14 drugiej generacji kat. M1/NB1/NB2, projektanci mogą zwrócić się ku modułowi Cinterion TX62 firmy Thales (ilustracja 6). Rozmiar rozwiązania można dodatkowo zoptymalizować dzięki elastycznej architekturze modułu, która obsługuje uruchamianie aplikacji za pomocą procesora hosta lub wewnątrz modułu za pomocą zintegrowanego procesora. TX62 obsługuje tryb oszczędzania energii (PSM) 3GPP i rozszerzony odbiór nieciągły (eDRx) dla zastosowań, w których pobór mocy ma kluczowe znaczenie. Czas pracy w trybie uśpienia PSM jest zwykle znacznie dłuższy niż eDRX. Dłuższe czasy pracy w trybie uśpienia pozwalają urządzeniu wejść w głębszy tryb uśpienia o niższym poborze mocy niż eDRX. Pobór w trybie uśpienia PSM wynosi poniżej 10µA, podczas gdy pobór w trybie uśpienia eDRX nie przekracza 30µA.

Ilustracja 6: moduł IoT TX62 obsługuje komunikację LTE-M, NB1 i NB2 oraz wielokonstelacyjny globalny system nawigacji satelitarnej (GNSS). (Źródło ilustracji: Thales)

Funkcje zabezpieczeń TX62 to m.in. bezpieczne przechowywanie kluczy i obsługa certyfikatów pozwalająca na zaufaną rejestrację w platformach chmurowych przy jednoczesnej ochronie urządzeń i danych, a także zaufane tożsamości wstępnie zintegrowane z katalogiem głównym TX62 podczas produkcji. W razie potrzeby projektanci mogą wykorzystać wbudowaną kartę eSIM, która może uprościć procesy logistyczne i produkcyjne oraz zwiększyć elastyczność w terenie dzięki dynamicznym aktualizacjom subskrypcji i zdalnej aprowizacji.

Prace rozwojowe nad usługami lokalizacyjnymi (LAS) w zastosowaniach Arduino Portenta H7 są uproszczone dzięki nakładce Portenta kat. M1/NB IoT GNSS (ilustracja 7). Nakładka łączy w sobie moc obliczeniową Portenta H7 z łącznością TX62, umożliwiając rozwój śledzenia aktywów LAS i zdalnego monitorowania w rozwiązaniach przeznaczonych dla inteligentnych miast, a także w obszarach przemysłowych, rolniczych, użyteczności publicznej i innych. Podstawowa nakładka Portenta kat. M1/NB IoT GNSS nie zawiera anteny GSM/UMTS. Zamiast szukać kompatybilnej anteny, projektanci mogą użyć wodoodpornej, pięciopasmowej anteny dipolowej Arduino.

Ilustracja 7: nakładka Portenta KAT.M1/NB IoT GNSS zawiera moduł TX62-W IoT (duży żółty kwadrat). (Źródło ilustracji: Arduino)

Dodatkowe zalety nakładki Portenta KAT.M1/NB IoT GNSS to m.in.:

• Możliwość zmiany łączności bez zmiany płytki
• Dodawanie pozycjonowania oraz NB-IoT, dowolnego projektu opartego na Portenta KAT.M1
• Znacznie obniżone wymagania w zakresie przepustowości komunikacji w urządzeniach IoT
• Kompaktowy format 66mm x 25,4mm
• Praca w temperaturze od -40°C do +85°C (od -104°F do 185°F)

Podsumowanie

Postępy w energooszczędnej i wysokowydajnej technologii GNSS są czynnikami stymulującymi rozwój zastosowań w usługach lokalizacyjnych (LAS) dla inteligentnych miast. Jednak samo zastosowanie najbardziej energooszczędnego sprzętu to tylko punkt wyjścia. Z perspektywy optymalnego i energooszczędnego rozwiązania równie ważne jest zoptymalizowanie oprogramowania układowego. Podczas tworzenia rozwiązań LAS opartych na systemie GNSS projektanci mają do wyboru wiele kombinacji urządzeń i oprogramowania układowego, a także mogą skorzystać z różnych narzędzi ewaluacyjnych w celu przyspieszenia procesów rozwojowych.